重構(gòu)教材實(shí)驗(yàn)提升實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)

王冬梅

摘? ?要：通過(guò)對(duì)“二氧化硫性質(zhì)驗(yàn)證”的教材分析、學(xué)情分析與實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)分析，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行重構(gòu)、創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出新的實(shí)驗(yàn)裝置，達(dá)到一體化、微型化、綠色化、多置歸一，實(shí)驗(yàn)效果明顯，并且可以推廣該裝置，從而培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、創(chuàng)新能力、探究能力，提升實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：微型化；一體化；綠色化；多置歸一；二氧化硫

引言

為了落實(shí)對(duì)高中生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，在教學(xué)中以“基礎(chǔ)性”為起點(diǎn)，“時(shí)代性”和“選擇性”為發(fā)展體現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要注重培養(yǎng)高級(jí)思維，改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生缺少思考，只注重動(dòng)手的現(xiàn)狀。學(xué)生要學(xué)會(huì)探究式學(xué)習(xí)建模及學(xué)會(huì)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，要以生活素材為依據(jù)，從而激發(fā)學(xué)生熱愛(ài)化學(xué)。本文以福建省實(shí)驗(yàn)說(shuō)課比賽獲獎(jiǎng)案例“二氧化硫制備及性質(zhì)的一體化微型實(shí)驗(yàn)”為例進(jìn)行分析。

1 使用教材分析

SO2在高中是一種很重要的氧化物，本課內(nèi)容選自魯科版化學(xué)新教材第一冊(cè)第三章第二節(jié)“實(shí)驗(yàn)室里研究不同價(jià)態(tài)硫元素之間的轉(zhuǎn)化——二氧化硫性質(zhì)驗(yàn)證”。關(guān)于SO2的學(xué)習(xí)既要體現(xiàn)運(yùn)用的時(shí)代性和廣泛性，又要能開(kāi)闊學(xué)生的眼界。

筆者根據(jù)教材引導(dǎo)學(xué)生對(duì)性質(zhì)分析和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在探討過(guò)程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）課堂上對(duì)二氧化硫性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究時(shí)，為節(jié)省時(shí)間往往提前用集氣瓶收集氣體保存。該過(guò)程需要使用大量試劑，且往往課堂演示或分組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，分析是由于SO2外逸，故而不便于宏觀辨識(shí)。比如，品紅褪色實(shí)驗(yàn)。

（2）二氧化硫是有毒氣體，易污染環(huán)境，敞口實(shí)驗(yàn)影響師生身體健康，不符合綠色化學(xué)的理念，缺乏社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

（3）運(yùn)用“發(fā)生裝置+檢驗(yàn)裝置+尾氣處理裝置”思路組裝儀器，實(shí)驗(yàn)裝置比較復(fù)雜，不便于學(xué)生實(shí)際操作，缺乏創(chuàng)新意識(shí)。

2? 學(xué)情分析

已具備知識(shí)：根據(jù)“研究物質(zhì)性質(zhì)的兩個(gè)基本角度”，學(xué)生已具有化合價(jià)角度分析和物質(zhì)類別角度分析的知識(shí)儲(chǔ)備，有很好的學(xué)習(xí)鋪墊。

已具備能力：實(shí)驗(yàn)操作能力、科學(xué)探究能力和觀察分析能力。

3? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

宏觀辨識(shí)與微觀探析：通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，解釋其原因，掌握二氧化硫的化學(xué)性質(zhì)。

科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)：能對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，小組合作探究，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探究能力和創(chuàng)新意識(shí)。

科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任：為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和社會(huì)責(zé)任，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要注重微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)和環(huán)保意識(shí)教學(xué)的滲透。

教學(xué)重點(diǎn)：探究二氧化硫的化學(xué)性質(zhì)。

教學(xué)難點(diǎn)：為培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探究的精神，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和裝置的創(chuàng)新改進(jìn)的意識(shí)。

4? 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)儀器：針筒、具支試管、雙球干燥管、氣球、橡膠塞、棉花、酒精燈。

實(shí)驗(yàn)藥品：亞硫酸鈉固體、70%的硫酸溶液、硫化鈉溶液、酸性高錳酸鉀溶液、品紅溶液、紫色石蕊溶液、氫氧化鈉溶液。

5? 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要點(diǎn)

（1）使用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有最小號(hào)儀器進(jìn)行組裝，實(shí)驗(yàn)儀器易得、便于推廣，在實(shí)驗(yàn)中藥品用量很少就能達(dá)到很好的效果，有效地解決了藥品用量大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的微型化、藥品用量微量化。

（2）將“發(fā)生裝置+檢驗(yàn)裝置+尾氣處理裝置”多種裝置多置歸一，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的一體化，從而解決了常規(guī)實(shí)驗(yàn)中裝置復(fù)雜的問(wèn)題。

（3）整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程裝置密閉，且試劑用量很少，反應(yīng)后用注射器注入氫氧化鈉溶液吸收殘留二氧化硫，從而達(dá)到有害氣體的零排放。

（4）運(yùn)用雙球干燥管凹面盛裝檢驗(yàn)試劑，棉球粘取試劑用量少，易于推廣運(yùn)用時(shí)更換試劑。

6? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

SO2是造成酸雨的元兇之一，屬于大氣污染物，泄露在大氣中會(huì)導(dǎo)致許多疾病的發(fā)生，特別是會(huì)使青少年抗病能力變?nèi)?，免疫力下降。因此，在?shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)盡量達(dá)到污染物的零排放是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)。SO2的性質(zhì)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)，從物質(zhì)類別和中心元素化合價(jià)兩個(gè)角度，引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，主要驗(yàn)證SO2與水反應(yīng)產(chǎn)物的酸性、氧化性、還原性、漂白性且可逆等。在實(shí)驗(yàn)室演示SO2性質(zhì)時(shí)往往分步進(jìn)行，顯得繁瑣。SO2具有污染性，因此還應(yīng)考慮環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)將SO2的制備、性質(zhì)實(shí)驗(yàn)與尾氣處理聯(lián)合進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置一體化、微型化，藥品用量微量化，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)效果顯著。實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，略去了SO2氣體的收集，最后將多余的SO2氣體用堿液吸收，能夠很好的避免環(huán)境污染。

7? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

環(huán)節(jié)1：分析教材，提出問(wèn)題和假設(shè)

根據(jù)課本中“研究物質(zhì)性質(zhì)的兩個(gè)基本角度”和“探究不同價(jià)態(tài)硫元素之間相互轉(zhuǎn)化的思路”等方法，確定二氧化硫性質(zhì)研究的兩個(gè)方向：

（1）物質(zhì)類別：酸性氧化物性質(zhì)類比二氧化碳；

（2）中心元素硫元素化合價(jià)+4：具有還原性和氧化性。

查閱資料：二氧化硫具有漂白性，能使品紅褪色且可逆。學(xué)生根據(jù)理論分析，確定性質(zhì)探究的實(shí)驗(yàn)方案。

環(huán)節(jié)2：設(shè)計(jì)方案，實(shí)施實(shí)驗(yàn)

學(xué)生方案：將制備得到的二氧化硫分別通入酸性高錳酸鉀溶液、品紅溶液、紫色石蕊溶液、硫化鈉溶液中，觀察對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案，師生共同將“一體化、微型化、綠色化、多置歸一”確定為本次實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)改進(jìn)的方向。學(xué)生利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)知識(shí)，根據(jù)設(shè)定的實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)方向，畫出了實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖，比較符合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖如圖1和圖2。

教師指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)際情況將實(shí)驗(yàn)裝置圖進(jìn)行組裝，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)，分析更合適的實(shí)驗(yàn)裝置：注射器能有效控制反應(yīng)速率更合適本實(shí)驗(yàn)。儀器主要由具支試管、注射器、氣球組成。用細(xì)鐵絲固定四個(gè)棉球，在棉球上分別滴加品紅溶液、紫色石蕊溶液、高錳酸鉀溶液、硫化鈉溶液，然后將棉球組合放于試管中。學(xué)生運(yùn)用本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行初次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，分別是品紅溶液褪色、紫色石蕊溶液變紅、高錳酸鉀溶液褪色、沾有硫化鈉溶液棉球出現(xiàn)少許黃色，而且藥品使用量很少，反應(yīng)后只需更換注射器，加入氫氧化鈉溶液就可對(duì)殘留二氧化硫進(jìn)行處理。

學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)裝置存在以下三個(gè)問(wèn)題：

（1）“二氧化硫的漂白性在加熱條件下可逆”在該實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有得到驗(yàn)證。

（2）有些同學(xué)的二氧化硫與硫化鈉反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，可能是棉球上吸附的硫化鈉的量較少導(dǎo)致。

（3）注射器針筒不長(zhǎng)，無(wú)法插入試管底部，導(dǎo)致注射硫酸時(shí)不小心會(huì)粘在棉球上，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及在反應(yīng)時(shí)液體伴隨氣體濺起影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

環(huán)節(jié)3：獲取證據(jù)，裝置優(yōu)化

為了能更好地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，建議學(xué)生查閱文獻(xiàn)尋找思路。文獻(xiàn)中顯示，有人改進(jìn)了二氧化硫漂白性可逆特點(diǎn)的檢驗(yàn)，但裝置一體化無(wú)法實(shí)現(xiàn)；有些人設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置比較復(fù)雜，不便于操作，雖然整套裝置能實(shí)現(xiàn)我們預(yù)期的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)目標(biāo)；于是有學(xué)生設(shè)計(jì)出了更簡(jiǎn)潔如圖3的實(shí)驗(yàn)裝置。

學(xué)生自述該設(shè)計(jì)主要將大試管底部彎曲，試管中上部有3個(gè)凹槽。彎曲尾部用于SO2的制取，而檢驗(yàn)SO2性質(zhì)的試劑分別放于試管中上部的凹槽部位。筆者根據(jù)設(shè)計(jì)圖明確指出該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在的幾個(gè)問(wèn)題：

（1）發(fā)生裝置不方便添加液體藥品；

（2）進(jìn)行尾氣處理需去除瓶塞導(dǎo)致少量二氧化硫外逸；

（3）大試管彎曲，以及凹槽處理都需要玻璃工，而高中生沒(méi)辦法達(dá)到這么高程度的玻璃工制作。

環(huán)節(jié)4：確定實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)儀器：針筒、具支試管、雙球干燥管、氣球、橡膠塞、棉花、酒精燈。

實(shí)驗(yàn)藥品：亞硫酸鈉固體、70%的硫酸溶液、硫化鈉溶液、酸性高錳酸鉀溶液、品紅溶液、紫色石蕊溶液、氫氧化鈉溶液。

學(xué)生經(jīng)歷多次改進(jìn)，最終確定實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）檢查裝置氣密性：用橡膠塞塞住具支試管，再用酒精燈加熱，雙球干燥管末端放入水中，有連續(xù)氣泡產(chǎn)生，則裝置氣密性良好。（用加熱法進(jìn)行氣密性檢測(cè)）

（2）在試管中裝入亞硫酸鈉；注射器中分別裝好硫酸并組裝好；另一支注射器裝好氫氧化鈉溶液；在雙球干燥管大球中裝品紅溶液，小球中裝硫化鈉溶液；小棉球兩個(gè)分別粘少量高錳酸鉀溶液和紫色石蕊。

（3）注射器緩慢地往試管中注射硫酸，觀察反應(yīng)現(xiàn)象：紫色石蕊溶液變紅色、高錳酸鉀溶液褪色、品紅溶液褪色、硫化鈉溶液出現(xiàn)黃色渾濁；品紅溶液褪色后用酒精燈加熱，觀察褪色后的品紅溶液現(xiàn)象：溶液又恢復(fù)紅色。

（4）用另一注射器往裝置中注射氫氧化鈉溶液進(jìn)行尾氣處理。

環(huán)節(jié)5：實(shí)驗(yàn)裝置的擴(kuò)展應(yīng)用

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證二氧化硫的制備及性質(zhì)一體化實(shí)驗(yàn)，效果很好；只要對(duì)棉球、雙球干燥管中試劑進(jìn)行更換，裝置就能推行到其他氣體的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，如表1所列的氯氣、氨氣、乙炔等。

8? 實(shí)驗(yàn)成效評(píng)論

（1）實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單一體化：二氧化硫的制取，酸性、氧化性、還原性、漂白性及二氧化硫漂白品紅的可逆性等一系列性質(zhì)的考證，該一體化裝置幾分鐘內(nèi)就可完成，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象前后顏色對(duì)比明顯。

（2）實(shí)驗(yàn)裝置，微型試劑用量微量：該實(shí)驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的最小號(hào)儀器，組裝實(shí)驗(yàn)裝置微型化；檢驗(yàn)試劑放于干燥管雙球內(nèi)或用棉花蘸取實(shí)驗(yàn)試劑，試劑用量符合微量化。

（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程綠色環(huán)保：該實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)有毒氣體的零排放，符合綠色環(huán)保要求。在密閉的實(shí)驗(yàn)裝置中用注射器向裝置內(nèi)輸入少量的氫氧化鈉溶液，就可以對(duì)尾氣進(jìn)行處理，防止有毒氣體外逸。

（4）普適性：該裝置也可以推廣到其他氣體的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，該裝置成本便宜，有益于推廣。

9? 結(jié)束語(yǔ)

本次實(shí)驗(yàn)探究以硫元素不同價(jià)態(tài)相關(guān)物質(zhì)性質(zhì)的知識(shí)為基礎(chǔ)，以課本中學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并以探究的方法，不斷引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，符合綠色環(huán)保要求，使得實(shí)驗(yàn)更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)；整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)安全性高，值得推廣，達(dá)到預(yù)期設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)。